基于復雜工程問題解決能力培養的課程改革
——以建筑給水排水工程為例

頡亞瑋，高延紅，劉宏遠

（浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310014）

引言

中國工程教育認證標準明確將解決復雜工程問題能力的培養作為本科工程教育的聚焦點。在我國現行的《工程教育認證通用標準解讀及使用指南（2022版）》的12條畢業要求中，8條直接提及“復雜工程問題”，而其余4條則是對復雜工程問題解決能力的素質類要求［1］。

目前，全國已有49所高校的給排水科學與工程專業通過了住建部的專業評估（認證）。“建筑給水排水工程”是給排水科學與工程專業的核心專業課程之一，其特點在于知識點多而散，實踐性極強且與現行規范標準結合緊密。在此背景下，如何基于課堂教學培養學生的復雜工程問題解決能力，實現課程的持續改進，是踐行OBE教育理念，達成培養目標，并創建一流本科專業的關鍵所在。

一、“建筑給水排水工程”課程中涉及的復雜工程問題特征

復雜工程問題（Complex Engineering Problems）指的是復雜的工程問題，而不是復雜工程的問題。在《華盛頓協議》所描述的復雜工程問題的7個特征中［2］，“（1）必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決”是本質，是復雜過程問題的天然屬性，必然具備［1］。其余特征在建筑給水排水工程中集中體現在：“（2）需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。”比如如何在保障供水可靠性和用水舒適性的同時實現節能供水和節約用水；“（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。”如工程實踐中涌現出的新技術和新設備，按部就班的常規設計或者施工方式就難以適應這種變化；“（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中。”比如在自噴系統的設計計算時，對于越來越多的構造奇特、流線、不規則的建筑的最不利點處作用面積常常難以形成規范中的規則矩形；“（6）問題相關各方利益不完全一致。”建筑給排水工程是建筑物整體工程的一部分，隨著建筑物承載的功能日益增多，建筑給排水中涉及的供排水管線面臨和其他專業管線設計方案的協調問題。“（7）具有較高綜合性，包含多個相互關聯的子問題。”比如建筑給排水設計中通常包括給水、熱水、排水、中水、消防等子專項，呈現了較高的綜合性。

二、復雜工程問題解決能力培養目標下，“建筑給水排水工程”課堂教學存在的問題

（一）課堂講授過度重視工程應用方法，輕視理論原理學習

“建筑給水排水工程”是一門實踐性很強的課程，工程設計實踐中許多設計數據都是根據經驗獲得或可以在規范/標準中查表得到的；加之專業課時不斷減少，該門課程的課堂講授逐漸演變成“規范條文的應用指南”，缺乏對規范、標準或實際操作方法背后理論支撐的教授。在本科的培養目標要求下，工程實踐方法固然重要，但使學生知其然并知其所以然、掌握工程經驗的理論來源是極其重要且不可缺少的一環。因此當前針對理論原理的教學內容不是太多，而是太少、太淺。

（二）缺乏對復雜工程問題認知及其解決能力的培養

當前的教學內容、課程設計和教學過程中對建筑給水排水工程中復雜工程問題的特征認識不足，認為一切按照標準規范即可，方案、技術等都是有經驗的、成熟的，不存在復雜的工程問題，課程教授和考核內容以教材上的、記憶的內容為主，忽視了培養過程中對復雜工程問題識別和解決能力的訓練。

三、“建筑給水排水工程”課程中復雜工程問題解決能力培養的策略

（一）復雜工程問題解決能力培養目標下課堂教學內容的重構

理論原理是專業知識強有力的支撐，對培養學生解決復雜工程問題的能力具有重要作用。但在教學實踐中發現，一方面專業課教學時長普遍不足，另一方面單純的理論知識晦澀，學生學習興趣不高；此外，還存在理論知識體系與專業實踐應用脫節的現象，導致課堂教學中忽視基礎知識教授。然而，沒有基礎知識支撐的工程應用是無本之木，不掌握基本原理的學生也很難具有創新精神。

以“工程問題，理論解決”的理念為指導，強化理論教學。改變目前教學“照表查、照書抄”的現狀，優化教學內容側重點。在教學過程和內容上，首先讓學生明確本科教學的培養目標，在心中深植復雜工程問題的解決方法源自強大理論支撐的基本觀念；其次在課堂教學中應讓目前不被重視的工程中各種參數的理論原理重返課堂，教學內容應在經驗數據、規范/標準條文背后的理論基礎上有所偏重。

引入工程實例，根據課堂教學內容合理設計基礎理論知識，轉化為具體的工程實踐任務，引導學生基于已有知識完成相關任務目標。通過讓學生探究某一工程經驗或規范條文后深層次原因強化理論原理和工程經驗的結合，倒逼學生自主學習，提升課程的高階性、創新性和挑戰度。比如建筑給水排水工程實踐中一個普遍的認識是排水通氣系統和管材對排水立管的通水能力有顯著影響，而且在《建筑給水排水設計標準》中也有相關建議數據，通過查表就能夠滿足設計基本要求，但如果學生的學習僅僅停留在此，就很難理解通氣特性和管道內壁對排水能力的影響機理，也就不能解決目前為了提高排水能力而盲目擴大通氣管徑的錯誤做法。在課時限制下，教學內容要強本弱末：基本原理是本，工程應用和經驗參數是末，指導學生探究表象背后的本質，才能立于主動學習的不敗之地。理論不再是抽象的數字和公式，而是發現和解決問題的工具，不僅實現基礎理論知識與專業知識的結合，也增強學生的專業自信，同時培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力和創新精神。

（二）基于項目的引導—探索—深入的課堂教學模式構建

強調學生在學習過程中通過新舊知識的聯系理解知識，并且能夠在高水平思維的學習活動中主動、批判性地理解和運用知識，是達成深度學習的重要途徑［3］。由于課程體系的時序特點，學生在學習專業課時，通識基礎課和專業基礎課均已經成為“舊知識”，而復雜工程問題的發現和解決則是“新知識”，強調學生在學習過程中通過新舊知識的聯系進行學習就是強調將專業基礎原理與復雜工程問題的發現和解決相結合。

引導的責任在教師。教師收集具有真實性、針對性、啟發性和問題性的工程案例，源自實際工程中的案例天然具有復雜特性［4］。工程項目案例的搜尋本身也是課程內容的一部分，它不是簡單的“拿來主義”，需要根據教學要求、學生素質和教學規律進行適當修改［5］，避免為了復雜而復雜，失去了教學意義。案例涉及的復雜問題沒有統一的標準答案，需要學生在學習過程中自行發現、甄別、總結和判斷。教師主要起到掌控案例教學大方向、引導學生明確思考路徑的作用。

探索的主體是學生，師生關系互換。探索學習的過程是讓學生從對零散的“點”知識的學習逐步轉移到對知識的整合上來，形成知識“線條”，連線成“面”，進而利用它們發現和分析問題、解決問題。只有在學習者解決真實世界里發生的問題，通過論證或應用而激活已知知識，并將其作為理解新知識的基礎時，新知識才會被整合到學習者的世界中［3］。工程實例或項目教學沒有唯一確定的答案，引導學生用已有知識探究解決問題的更好方案，培養針對復雜問題的思考、發現和分析方法，才是這一教學過程的目的所在。學生通過主動學習和思考，闡述發現的復雜問題以及解決思路并進行討論。在上述過程中“交流”“合作”等行為自然而然地出現了，對獲得深層的、有意義的學習成果是非常有益的［6］。

深入的核心是合作。師生關系進一步轉化為合作者，師生享有平等的地位，平等參與討論［7］。對復雜工程問題進行分析、討論、辨別。但由于學生的專業知識基礎不深厚，因此教學實踐中教師需要掌控討論的大方向。這種合作還可以延伸，比如學生以項目成員的身份加入教師的科研團隊參與開展科研項目。師生雙方在合作中互相學習，實現教學相長，使各自成為更好的教師和學生［7］。應該指出教師在案例的選擇方面尤其要注意，切忌難度過大，要以激發興趣、培養能力為原則，避免造成學生過大的挫敗感，過猶不及。

（三）面向復雜工程問題解決能力培養的課程考核方式改革

課程的考核是教育教學過程重要的組成部分和必不可少的環節［8］，要實現面向復雜工程問題解決能力培養的課程考核，就必然要求我們強化針對復雜問題的分析、解構和解決能力的評價。在“復雜問題，理論解決”的理念下，課程的考核評價內容應該全面評價學生對理論知識的掌握情況以及發現和解決復雜工程問題的能力。讓學生共同參與評價，引入生講生考、生講師考、師生共評的機制，考核側重點是復雜問題的發現、思考過程以及解決方案；在考核過程中產生的師生和生生之間的交流、討論、辯論事實上也成為教學過程的一部分。如此一來，教學考試評價過程則從教學過程的結束變成了教學過程的延續，也有利于體現評價的客觀公正，從而提高學生對評價結果的認可度。

重視學生復雜工程問題能力培養，就是要通過考核模式的改革扭轉目前學生普遍重考試、輕考查、重期末、輕平時的學習態度。課程的考核評價要更具綜合性、全面性和經常性，應同等重視期末考評和過程考評，但不同考核過程的側重點應有所不同，過程考核應該理論實際并重；而在期末考評中，案例中復雜工程問題的發現、分析、思考和解決，以及課程中理論知識的連貫和綜合應用等則應該成為重點。

最后，考核評估的結果應成為持續改進的基點，考核結果中反映出來的學生對知識掌握及其應用情況不足之處，應該體現在后續教學的持續改進中，形成課程質量的螺旋上升。

四、課程思政賦能復雜工程問題解決能力培養

學生的培養要有專業，但不以專業為本，而是以人的全面發展為本［9］。課程思政的目的是培養健全的、全面發展的人，和工程教育專業認證標準中“要使學生……考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素”的理念相向而行，不謀而合。

結合課程思政，闡述復雜工程問題的產生根源。復雜工程問題通常涉及多專業、多學科的交叉。復雜工程問題產生的根本原因首先是改革開放以來中國經濟社會的高速發展，促進了建筑內部多功能的集成；其次是我國近年來科技的高速發展使得多功能建筑、綠色建筑等建設成為可能。從這一點出發，增強學生對國家繁榮昌盛的榮譽感、對人民安居樂業的社會責任感和使命感，以及專業自信。

結合課程思政，培養釘釘子精神。復雜工程問題之所以復雜，就是由于它不是通過常規的、既有的方法和手段能夠解決的，這就要求在課程教學和指導學生的過程中，培養學生勤于思考、善于思考和科學思考的習慣，訓練學生不怕苦、不畏難，鍥而不舍、不怕失敗的釘釘子精神，通過對已有知識的深入和外延知識的拓展、學習和總結，發現、分析、解決復雜工程問題。

結合課程思政，弘揚科學精神。復雜工程問題的解決，依賴于對問題的準確判斷和分析，在引導學生拓展已有知識的過程中，要讓學生理解前人面對工程難題時的思考方式、解決思路和邏輯鏈條；對于建筑給水排水而言，復雜工程問題的解決關系到供水是否安全、排水是否通暢、消防是否有效等，來不得半點兒虛假和模棱兩可，在這一過程中，培養學生踏實做事、科學嚴謹、實事求是的科學精神和工作態度。